基于S7-400的APMP制漿中盤磨控制的研究與應(yīng)用

景曉渝

（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，陜西寶雞721013）

1 引言

打漿過程是制漿造紙過程中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于原料多種多樣，打漿過程中也存在許多擾動(dòng)，這些因素都會(huì)影響成漿質(zhì)量的穩(wěn)定性，因此有必要對打漿過程進(jìn)行自動(dòng)控制。盤磨是主要的打漿設(shè)備，對其進(jìn)行自動(dòng)控制直接影響著整個(gè)生產(chǎn)過程。目前，國內(nèi)多家紙廠引進(jìn)了不同生產(chǎn)能力的生產(chǎn)線，其共同特點(diǎn)是高濃磨漿。提高磨漿機(jī)的控制性能和自我保護(hù)能力是目前企業(yè)關(guān)心的熱點(diǎn)問題。某紙廠引進(jìn)一條APMP楊木化學(xué)機(jī)械漿生產(chǎn)線，是目前世界上工藝控制比較先進(jìn)的系統(tǒng)，自動(dòng)化程度較高，配備了兩段壓力盤磨，能耗低，得率高［1、2］。

2 盤磨控制

2.1 控制原理

在控制紙漿濃度和流量穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，通過打漿設(shè)備主電機(jī)功率傳感器的檢測，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)打漿設(shè)備的刀距從而實(shí)現(xiàn)對錐形磨漿機(jī)的控制［3］。

圖1 盤磨機(jī)進(jìn)退刀邏輯控制圖

磨漿機(jī)的進(jìn)退刀邏輯控制如圖1所示。其中，P為主電機(jī)的當(dāng)前功率；Plow為錐形磨漿機(jī)的低限功率；Ps為工藝要求設(shè)定功率；Po為初始功率（退刀到位功率即空載功率）；FT、CT為流量、濃度傳感器對進(jìn)入錐形磨漿機(jī)漿料流量、濃度的檢測值，必須控制在工藝要求范圍內(nèi)。

2.2 傳統(tǒng)盤磨控制

盤磨主電機(jī)測量回路裝有功率變送器，通過對主電機(jī)工作線路電壓和工作負(fù)荷電流進(jìn)行采集，由功率變送器內(nèi)部模塊計(jì)算出主電機(jī)當(dāng)前功率并轉(zhuǎn)化成4-20mA直流信號，上送DCS系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)內(nèi)部程序?qū)⒋诵盘栐俎D(zhuǎn)化成當(dāng)前主電機(jī)功率絕對值，并在計(jì)算機(jī)畫面上顯示。DCS系統(tǒng)根據(jù)此功率值和當(dāng)前流過盤磨的漿量計(jì)算出每噸漿耗費(fèi)的電能，并以此為根據(jù)算出刀片的進(jìn)給量，并對執(zhí)行系統(tǒng)下達(dá)指令，變頻器接受指令轉(zhuǎn)換成輸出頻率控制進(jìn)刀電機(jī)的速度，進(jìn)而使進(jìn)刀刀片達(dá)到指定位置。

2.2.1 棒-棒控制

國內(nèi)的盤磨控制大多采用恒功率控制，該控制系統(tǒng)采用的也是這種方法，稱為棒-棒控制。

首先，根據(jù)公式 Plow1＝0.8Po＋0.2SV和 Plow2＝0.5Po＋0.5SV確定兩個(gè)門檻功率 Plow1和 Plow2。其中，Po為初始功率，即退刀到位且正常過漿時(shí)的功率；SV為功率設(shè)定值。

PV功率測量值，當(dāng)PV＜Plow1時(shí)，快速退刀；當(dāng)Plow1＜PV＜Plow2時(shí)，正常進(jìn)刀；當(dāng) Plow2≤PV≤SV時(shí)，1／4進(jìn)刀；即讓其輸出脈沖占空比為正常進(jìn)刀占空比的 1／4；當(dāng) PV＞SV時(shí)，正常退刀，當(dāng)處于保護(hù)狀態(tài)時(shí)，快速退刀。具體表達(dá)式如表1所示。其中，F(xiàn)W表示正常進(jìn)刀；FFW表示快速進(jìn)刀；BW表示正常退刀；FBW表示快速退刀；Protect表示處于保護(hù)狀態(tài)，F(xiàn)W、FFW、BW、FBW對應(yīng)著不同的標(biāo)志位。

表1 盤磨進(jìn)退刀邏輯圖

2.2.2 盤磨保護(hù)

盤磨保護(hù)是盤磨控制系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。由于電機(jī)的功率較大，操作不當(dāng)或保護(hù)措施不力都可能會(huì)導(dǎo)致較大的財(cái)產(chǎn)損失，甚至危及生命。整個(gè)盤磨控制添加了完善的連鎖保護(hù)系統(tǒng)，比如潤滑油、密封水的連鎖退刀保護(hù)；在保護(hù)系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)的功率傳感器的檢測信號與程序設(shè)定有偏差時(shí)，強(qiáng)制液壓機(jī)構(gòu)快速退刀。

自動(dòng)控制盤磨在不同的條件下進(jìn)退刀，以及在各種條件下進(jìn)退刀的速度，以確保打漿的最優(yōu)化，達(dá)到所需的打漿度。

2.2.3 盤磨輸出

盤磨輸出是最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)具體動(dòng)作的控制者，通過盤磨輸出部分給出命令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)給出相應(yīng)的動(dòng)作。在盤磨的輸出中，由標(biāo)志位和盤磨保護(hù)共同決定給出什么樣的輸出。如盤磨控制部分所述，F(xiàn)W、FFW、1／4FW、BW、FBW 分別對應(yīng)著不同的標(biāo)志位，相應(yīng)的標(biāo)志位就對應(yīng)了不同的進(jìn)退刀的動(dòng)作以及動(dòng)作的快慢。這其中，注意保護(hù)要優(yōu)先于標(biāo)志位，而且要避免標(biāo)志位的沖突［4］。

2.3 盤磨專家控制

2.3.1 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（expert system）是人工智能應(yīng)用研究最活躍和最廣泛的課題之一，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。運(yùn)用特定領(lǐng)域的專門知識(shí)，通過推理來模擬通常由人類專家才能解決的各種復(fù)雜的、具體的問題，達(dá)到與專家具有同等解決問題能力的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)。它能對決策的過程作出解釋，并有學(xué)習(xí)功能，即能自動(dòng)增長解決問題所需的知識(shí)。

圖2 專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3.2 專家控制

在對盤磨控制的分析過程中，針對該系統(tǒng)中的門檻功率無法確定最優(yōu)系數(shù)的特點(diǎn)，提出了盤磨打漿專家控制方案，該方案是間接專家控制系統(tǒng)，知識(shí)庫主要由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和規(guī)則集合組成，信息獲取主要由傳感器將現(xiàn)場的濃度信號和流量信號送至PLC，通過軟件編程對其進(jìn)行采樣分析，規(guī)則集合主要是針對這些采樣來的數(shù)據(jù)制定的［5］。

設(shè)定方案中首先將兩個(gè)門檻功率表示為：Plow1＝Po＋bSv和 Plow2＝cPo＋dSv，并通過以下 3 個(gè)方面對系數(shù) a、b、c、d 進(jìn)行優(yōu)化。

（1）經(jīng)驗(yàn)表格查詢法

首先，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，制定一個(gè)輸入為兩個(gè)門檻功率的系數(shù)，即a、b、c、d，輸出為門檻功率Plow1和Plow2的表格作為盤磨控制系統(tǒng)的知識(shí)庫。而且這個(gè)知識(shí)庫具有強(qiáng)大的容錯(cuò)功能，即這個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)只有在進(jìn)漿濃度、流量回路的設(shè)定值發(fā)生改變時(shí)才使用，使用之后如果不能滿足要求，則系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)整理出來的多項(xiàng)規(guī)則進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且對原有不能滿足要求的規(guī)則進(jìn)行修改，通過這種自學(xué)習(xí)功能以求不斷完善。

例如，磨漿機(jī)的傳統(tǒng)控制方案為在紙漿濃度和流量穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，通過檢測磨漿機(jī)主電機(jī)功率傳感器傳送上來的功率信號，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)磨漿機(jī)的刀距，從而實(shí)現(xiàn)恒功率打漿控制。

在此基礎(chǔ)上采用基于專家控制思想的磨漿機(jī)進(jìn)退刀量控制方案。

專家控制建立了輸入量P和輸出量S之間的一個(gè)映射關(guān)系，這個(gè)關(guān)系可用式（1）表示。

式中，F(xiàn)為智能算子，P為主電機(jī)功率測量值，S為磨刀進(jìn)刀量。對輸入和輸出量進(jìn)行模糊化，即：

其中，P（k）為 k 時(shí)刻的磨漿機(jī)主電機(jī)功率，S（k）為k時(shí)刻磨漿機(jī)磨刀進(jìn)刀量。

（2）專家調(diào)節(jié)規(guī)則

根據(jù)盤磨控制的調(diào)節(jié)規(guī)則，設(shè)計(jì)一個(gè)相應(yīng)的專家控制器。當(dāng)整個(gè)盤磨打漿控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，專家規(guī)則不調(diào)用。當(dāng)規(guī)則中規(guī)定的相關(guān)情況發(fā)生時(shí)，專家控制器按照經(jīng)驗(yàn)表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，專家控制器主要是適度調(diào)整PID參數(shù)，如果此時(shí)進(jìn)退刀調(diào)節(jié)效果仍然不能滿足打漿度要求，則按照這些規(guī)則再進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)，直至控制效果達(dá)到要求為止。其實(shí)，考慮到現(xiàn)場條件有變，按照經(jīng)驗(yàn)表格中查得數(shù)據(jù)多半不能一步到位，必需再進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，如果沒有專家經(jīng)驗(yàn)，則這個(gè)調(diào)節(jié)過程就會(huì)非常冗長。

（3）自學(xué)習(xí)算法

自學(xué)習(xí)算法是對經(jīng)驗(yàn)表格的在線完善和補(bǔ)充。由于經(jīng)驗(yàn)表格的數(shù)據(jù)只是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)制作而成，當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生變化時(shí)，如何使這個(gè)經(jīng)驗(yàn)表格保持最新的數(shù)據(jù)就是一個(gè)非常重要的問題。針對這一點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)盤磨控制系統(tǒng)專家控制器的自學(xué)習(xí)功能，當(dāng)更為合適的數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，該數(shù)據(jù)就會(huì)替代經(jīng)驗(yàn)表格中的原始數(shù)據(jù)，作為新的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)供下次查詢使用。

3 盤磨控制的應(yīng)用

下面的運(yùn)行實(shí)例圖是某紙廠的APMP楊木化學(xué)機(jī)械漿生產(chǎn)線。

3.1 盤磨系統(tǒng)組態(tài)的實(shí)現(xiàn)

整條生產(chǎn)線以S7-400 PLC為核心組成3級DCS，由3層網(wǎng)絡(luò)連接，兩段盤磨采用PLC系統(tǒng)、S7-400系列控制器，現(xiàn)場采用ET200 I／O模塊，配置盤磨保護(hù)系統(tǒng)，盤磨PLC配有工程師站、現(xiàn)場安裝觸摸屏，操作員既可以就地通過觸摸屏操作，又可以通過DCS操作員站遠(yuǎn)程模擬操作，工藝參數(shù)值、設(shè)定值、報(bào)警信息在觸摸屏上顯示，DCS控制系統(tǒng)與盤磨PLC控制系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；所有執(zhí)行器和傳感器的信號都連接到I／O模塊，遠(yuǎn)程的I／O通過Profibus總線連接到PLC。

控制盤磨的PLC系統(tǒng)是一個(gè)絕對獨(dú)立的系統(tǒng)，其CPU與DCS的CPU是同等地位。與盤磨控制相關(guān)的I／O全部進(jìn)入到PLC，全部由PLC作為后臺(tái)處理運(yùn)算，即使DCS出現(xiàn)故障，盤磨也能安全控制［6、7］。

表2所示是盤磨控制系統(tǒng)硬件配置，表3所示為測控點(diǎn)數(shù)。

表2 盤磨控制系統(tǒng)硬件配置

表3 測控點(diǎn)數(shù)圖

3.2 實(shí)際運(yùn)行的WinCC監(jiān)控畫面

系統(tǒng)實(shí)施完成后，實(shí)際運(yùn)行監(jiān)控畫面如圖3所示。

圖3 盤磨控制實(shí)時(shí)運(yùn)行圖

3.3 結(jié)果分析

從實(shí)時(shí)運(yùn)行和參數(shù)設(shè)置圖可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定正常，各參數(shù)數(shù)據(jù)、運(yùn)行曲線都在程序設(shè)定范圍之內(nèi)。根據(jù)磨漿機(jī)工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于PLC的新型盤磨機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC為核心，與功率變送器和變頻器綜合應(yīng)用，且將專家控制思想應(yīng)用于磨漿機(jī)進(jìn)退刀量控制，結(jié)合自學(xué)習(xí)算法自動(dòng)修改不合適的輸入輸出量化值，具有調(diào)節(jié)速度快、過渡時(shí)間短、超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)，更準(zhǔn)確地控制磨漿機(jī)的磨刀進(jìn)退位移量。該系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性與快速響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性，既能實(shí)現(xiàn)打漿過程的平穩(wěn)、精確控制，又可以大大提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，達(dá)到了高質(zhì)、低耗、自動(dòng)控制的目的。

4 結(jié)束語

使用恒功率控制方案控制盤磨，在一定范圍內(nèi)取得了較好的效果，要使該方法得到更好的應(yīng)用，并達(dá)到更高的控制效果，還必須將專家系統(tǒng)等高級算法應(yīng)用到盤磨打漿控制中去。用專家控制器確定最優(yōu)門檻電壓，得到了很好的控制效果，有調(diào)節(jié)速度快、過度時(shí)間短、超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)。

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